王宏偉，沈旭奎，田亞林，李芍君，蘇強

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著城市交通壓力的不斷增加，地鐵車輛在城市軌道交通中的地位顯著提高。在車輛輕量化設計的趨勢下，鋁合金憑借其比強度高、可塑性好的優(yōu)點成為國內(nèi)外地鐵車輛的首選材料。但鋁合金的耐磨性差、硬度低，與轉向架連接的關鍵接口，還需要借助耐磨性較高的鋼件來實現(xiàn)功能需求。本文基于某鋁合金A型車對鋁合金枕梁空簧安裝座與轉向架空簧的接口進行分析。

1 底架枕梁結構

底架為全鋁合金焊接底架結構，枕梁由3塊通長型材通過攪拌摩擦焊組焊而成，枕梁上設有空簧安裝座、抗側滾扭桿座、垂向減振器座等關鍵接口。其中空簧安裝座與枕梁型材采用焊接形式連接，為全壽命周期件，與某B型地鐵螺栓連接的空簧座相比降低了維修維護成本，提高了密封安全性。

為了提高空簧安裝座與轉向架空簧導柱連接的耐磨性，與轉向架導柱接觸處設置有不銹鋼襯套，不銹鋼襯套與枕梁空簧安裝座采用過盈裝配[1]，為了確?？栈梢r套能夠順利安裝且安裝后的空簧襯套內(nèi)徑公差無需二次加工即可滿足裝配需求，對空簧襯套的內(nèi)外公差及空簧安裝座底孔公差進行設計。

2 空簧安裝座與空簧襯套過盈量計算

空簧安裝座與空簧襯套過盈量的設計原則包括：1）保證過盈聯(lián)結傳遞給定的負荷；2）保證聯(lián)結件不產(chǎn)生塑性變形；3）保證聯(lián)結件的過盈量小于空簧襯套經(jīng)過液氮冷卻后的縮小量，提高液氮冷裝的工藝性。

2.1 保證過盈聯(lián)結傳遞給定的負荷

過盈聯(lián)結傳遞負荷所需的最小過盈量計算過程如下[2-4]。

空簧襯套與轉向架導柱為間隙配合，中間有橡膠圈起密封作用，所受轉矩可以忽略不計。保證襯套安裝后，在運行過程中不脫落，需克服自身重力。已知襯套質(zhì)量m=0.579 kg。由于列車在運行過程中承受動載，取加速度為3g，安全系數(shù)為3，所以受軸向力Ft=9mg=9×0.579×9.8=51.07 N。所以最小結合壓力計算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（2），求得qa=0.679。

表1 計算用的主要參數(shù)

空簧襯套直徑比計算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（6），求得Ci=8.77。

空簧襯套傳遞負荷所需的最小直徑變化量計算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（9），求得δmin=0.0193 mm。

2.2 保證空簧安裝座和空簧襯套不產(chǎn)生塑性變形

不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量計算過程如下[2-4]。

空簧安裝座不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大結合壓力計算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（12），求得Ft=51 kN。

空簧安裝座不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大直徑變化量計算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（13），求得eamax=0.133 mm。

空簧襯套不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大直徑變化量計算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（14），求得eimax=0.127 mm。

不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量計算公式為

最終求得δemax=0.26 mm。

2.3 保證空簧安裝座和空簧襯套的過盈量小于空簧襯套經(jīng)過液氮冷卻后的縮小量

空簧襯套采用液氮冷壓的方式安裝，為了便于安裝，在保證聯(lián)接強度的前提下，需要保證過盈量小于空簧襯套液氮冷卻后的徑向收縮量，才能保證空簧襯套不借助外力順利安裝。

襯套為環(huán)狀結構，根據(jù)線膨脹系數(shù)計算平均徑向收縮量時的長度，可以按照襯套平均周長近似計算，通過冷卻后的周長反推可得到冷卻后的直徑，則冷卻前后襯套平均周長收縮量為[5]

式中：α為空簧襯套的線性膨脹系數(shù)，查機械制造手冊[4],馬氏體不銹鋼的線性膨脹系數(shù)為1.0×10-5；t1為襯套在放入液氮前的溫度，25 ℃；t2為液氮溫度，-197 ℃。

由式（16）得出徑向收縮量為

最終求得Δd=0.398 mm。所以襯套單邊半徑縮小量為Δr=0.199 mm。

2.4 確定最終過盈量

綜上所述，保證空簧襯套傳遞給定負荷的最小過盈量為δmin=0.0193 mm；保證空簧安裝座與空簧襯套不產(chǎn)生塑性變形的最大有效過盈量為δemax=0.26 mm；滿足液氮冷裝工藝需求的最大過盈量為δ=Δr=0.199 mm。

由于空簧襯套與轉向架的配合為橡膠圈密封，聯(lián)接強度儲備要求低，考慮更高的聯(lián)接件材料儲備要求，結合液氮安裝工藝的便利性，所以此處取過盈量0.019 mm＜δb＜0.199 mm。

3 確定空簧安裝座底孔及空簧襯套外徑公差尺寸

3.1 確定空簧安裝座底孔的公差

空簧安裝座與枕梁的聯(lián)接方式為焊接且不可拆卸，因此空簧安裝座底孔與空簧襯套的配合選擇基孔制，取精度等級為IT8，空簧安裝座底孔的公差取95H8（公差H8的公差范圍為0～+0.054）。

3.2 確定空簧襯套的外徑公差尺寸

4 空簧襯套安裝后的內(nèi)徑縮小量計算過程

空簧襯套為環(huán)類件，在與空簧安裝座過盈裝配后會產(chǎn)生內(nèi)徑縮小的現(xiàn)象，為了保證安裝后的空簧襯套的尺寸滿足與轉向架空簧導柱的裝配精度要求，不需要額外加工，需對空簧襯套安裝后的內(nèi)徑縮小量進行計算[2-4]。

根據(jù)上述空簧安裝座及空簧襯套最終公差，計算出過盈量的范圍值為0.07 mm＜δ＜0.174 mm。

由實際過盈量計算得出聯(lián)接件的結合壓力，其中最小結合壓力計算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（21），求得Δdimax=0.088 mm。因此空簧襯套安裝后的內(nèi)徑縮小量為0.026～0.088 mm,平均縮小量Δd=（0.026+0.088）÷2=0.057 mm。

5 空簧襯套內(nèi)徑公差尺寸計算

6 空簧襯套液氮冷裝試驗

以上述計算得出的空簧安裝座底孔尺寸和空簧襯套的內(nèi)外徑尺寸公差為基礎進行試驗，驗證空簧襯套液氮冷裝的工藝可行性及空簧襯套安裝后內(nèi)徑尺寸的合格性。

空簧安裝座及空簧襯套尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 空簧襯套

圖2 空簧安裝座

圖3 現(xiàn)場試驗工件及液氮裝置

6.1 測量方法

轉向架空簧導柱與枕梁空簧襯套主要靠空簧導柱頂部的橡膠圈密封，所以需要保證空簧導柱與空簧襯套的接觸部分的尺寸精度，測量時要對其重點測量?？栈蓪еY構如圖4所示,橡膠圈位置分別對應空簧襯套安裝后的中部和下部。

圖4 轉向架空簧導柱

6.2 試驗數(shù)據(jù)分析

按照計算結果，對襯套與安裝座進行試驗驗證，整理襯套安裝后的內(nèi)徑尺寸數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 安裝后襯套內(nèi)徑尺寸

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，空簧襯套上下尺寸相差較大，先進入安裝座的底部由于受擠壓力較大變形偏大，內(nèi)徑偏?。欢筮M入安裝座的空簧襯套中部變形較小，內(nèi)徑偏大。安裝后的空簧襯套呈錐形，大部分為中部尺寸滿足要求，而下部尺寸偏小不滿足要求。

借鑒第一批試驗襯套的經(jīng)驗，考慮到第一批襯套硬度不足，導致變形量受壓力大小的影響較大，決定提高第二批空簧襯套的硬度，進行實驗驗證。整理后的空簧襯套安裝后的尺寸數(shù)據(jù)如圖6所示。最終經(jīng)過熱處理的空簧襯套安裝后內(nèi)徑尺寸中部與下部變形量相當，且均滿足安裝后的公差要求。

圖6 熱處理空簧襯套安裝后內(nèi)徑尺寸

7 結論

通過計算得出過盈裝配的襯套類零件過盈量及收縮量，最終保證安裝后的公差尺寸。同一零件不同部位的收縮量的穩(wěn)定性與過盈裝配件的硬度有關，需要熱處理至合理硬度方能保證變形量的穩(wěn)定性。